鋰離子電池特性

鋰是化學周期表上直徑最小也最活潑的金屬。體積小所以容量密度高，廣受消費者與工程師歡迎。但是，化學特性太活潑，則帶來了極高的危險性。鋰金屬暴露在空氣中時，會與氧氣出現激烈的氧化反應而爆炸。為了提升安全性及電壓，科學家們發明了用石墨及鈷酸鋰等材料來儲存鋰原子。這些材料的分子結構，形成了奈米等級的細小儲存格子，可用來儲存鋰原子。這樣一來，即使是電池外殼破裂，氧氣進入，也會因氧分子太大，進不了這些細小的儲存格，使得鋰原子不會與氧氣接觸而防止爆炸。

鋰離子電池的這種原理，使得人們在獲得它高容量密度的同時，也達到安全的目的。鋰離子電池充電時，正極的鋰原子會喪失電子，氧化為鋰離子。鋰離子經由電解液游到負極去，進入負極的儲存格，并獲得一個電子，還原為鋰原子。放電時，整個程序倒過來。為了防止電池的正負極直接碰觸而短路，電池內會再加上一種擁有眾多細孔的隔膜紙，來防止短路。好的隔膜紙還可以在電池溫度過高時，自動關閉細孔，讓鋰離子無法穿越，以自廢武功，防止危險發生。

保護措施：鋰離子電池電芯過充到電壓高于4.2V后，會開始出現副用途。過充電壓愈高，危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后，正極材料內剩下的鋰原子數量不到一半，此時儲存格常會垮掉，讓電池容量出現永久性的下降。假如繼續充電，由于負極的儲存格已經裝滿了鋰原子，后續的鋰金屬會堆積于負極材料表面。這些鋰原子會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶。這些鋰金屬結晶會穿過隔膜紙，使正負極短路。有時在短路發生前電池就先爆炸，這是因為在過充過程，電解液等材料會裂解出現氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進去與堆積在負極表面的鋰原子反應，進而爆炸。

因此，鋰離子電池充電時，一定要設定電壓上限，才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。鋰電芯放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低于2.4V時，部分材料會開始被破壞。又由于電池會自放電，放愈久電壓會愈低，因此，放電時最好不要放到2.4V才停止。鋰離子電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個理想的放電截止電壓。充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過大時，鋰離子來不及進入儲存格，會聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面出現鋰原子結晶，這與過充相同，會造成危險性。萬一電池外殼破裂，就會爆炸。